柴油機(jī)油底殼動(dòng)態(tài)特性識(shí)別研究

孟浩東,趙景波,戴旭東,張 忠,徐 毅,吳龍圖

(1.常州工學(xué)院 汽車工程學(xué)院， 江蘇 常州 213032； 2.常柴股份有限公司， 江蘇 常州 213002)

0 引言

柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性研究是現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，其中薄壁零件聲振特性往往對(duì)整機(jī)NVH性能起關(guān)鍵作用。柴油機(jī)的薄壁件主要包括油底殼、缸蓋罩、蓋板以及平板箱體結(jié)構(gòu)總成等，由于其輻射面積大、剛度低，受到柴油機(jī)燃燒與機(jī)械激勵(lì)后，薄弱結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生共振響應(yīng)而輻射較大噪聲。因此，準(zhǔn)確識(shí)別柴油機(jī)薄壁結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)特性是控制整機(jī)NVH特性的前提和關(guān)鍵。

基于振動(dòng)噪聲試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及有限元與邊界元仿真分析方法等在研究車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性方面應(yīng)用廣泛[1-8]。趙業(yè)淼等[4]利用有限元法結(jié)合邊界元法對(duì)建立的4DW93柴油機(jī)仿真模型進(jìn)行振動(dòng)噪聲仿真分析，找到了對(duì)整機(jī)表面輻射噪聲能量貢獻(xiàn)占主要地位的薄壁件，并通過(guò)優(yōu)化油底殼結(jié)構(gòu)，降低了整機(jī)噪聲；商晴等[5]采用仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的分析方法，在最大扭矩工況下對(duì)整機(jī)裝配條件下的油底殼進(jìn)行了強(qiáng)迫振動(dòng)分析，找到了油底殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)最大位置，通過(guò)增加其厚度與加強(qiáng)筋，提高了結(jié)構(gòu)剛度，降低了振動(dòng)；蔡艷平等[6]利用模態(tài)疊加法對(duì)氣門落座力與燃爆激振力激勵(lì)下內(nèi)燃機(jī)缸蓋振動(dòng)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)行模擬仿真，并通過(guò)缸蓋振動(dòng)實(shí)測(cè)信號(hào)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。王海林等[7]采用模態(tài)分析結(jié)合瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法對(duì)拖拉機(jī)無(wú)極變速器箱體進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，并運(yùn)用拓?fù)浜托蚊猜?lián)合優(yōu)化的方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性。綜上所述，試驗(yàn)與仿真分析方法相互融合、取長(zhǎng)補(bǔ)短，能準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的聲振響應(yīng)特性，有效識(shí)別其動(dòng)態(tài)特性，找出薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

此次針對(duì)某型單缸柴油機(jī)油底殼薄壁結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)特性開展識(shí)別研究，首先基于同步壓縮小波變換識(shí)別標(biāo)定工況下柴油機(jī)油底殼的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)頻特征，然后結(jié)合采用近場(chǎng)聲壓1/3倍頻程頻譜法定位分析油底殼結(jié)構(gòu)噪聲的輻射特性，在此基礎(chǔ)上確定燃燒與機(jī)械激勵(lì)作用下油底殼結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與輻射噪聲的關(guān)聯(lián)性，再采用實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的模態(tài)分析方法識(shí)別油底殼的模態(tài)特性，最后進(jìn)一步研究油底殼聲振響應(yīng)特性與其模態(tài)特性之間的相關(guān)性，研究結(jié)果指導(dǎo)優(yōu)化油底殼的動(dòng)態(tài)特性。

1 柴油機(jī)油底殼振動(dòng)噪聲試驗(yàn)分析

1.1 同步壓縮小波變換原理概述

同步壓縮小波變換方法[9-11](synchronous compression wavelet transform，SWT)是以小波變換為基礎(chǔ)的一種頻率壓縮重組分析算法，首先對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行連續(xù)小波變換(continuous wavelet transform，CWT)，定義為

(1)

式中：a為尺度因子；b為平移因子；t為時(shí)間；ψ*(t)為小波基ψ(t)的共軛。

然后對(duì)小波系數(shù)Wx(a,b)，計(jì)算其瞬時(shí)頻率

(2)

建立(a,b)→(ωx(a,b),b)的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)小波系數(shù)從時(shí)間-尺度分布向時(shí)間-頻率分布轉(zhuǎn)變，SWT方法通過(guò)壓縮小波系數(shù)Wx(ωx(a,b),b)在任一中心頻率ω1附近[ω1-0.5Δω,ω1+0.5Δω]值，獲得同步壓縮小波變換系數(shù)Tx(ω1,b)。

最終同步壓縮小波系數(shù)計(jì)算結(jié)果表示為

(3)

式中：A(b)={a;Wx(a,b)≥γ}，通常閾值γ設(shè)定與信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)及噪聲方差有關(guān)。

同步壓縮小波變換相比較傳統(tǒng)小波變換[12-13]，能獲得更高的時(shí)頻分辨能力與時(shí)頻定位特性，能從時(shí)頻域上提取結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征信息，提高對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的辨識(shí)能力。

圍繞單缸柴油機(jī)油底殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，融合同步壓縮小波變換法、1/3倍頻程譜法及模態(tài)分析法展開識(shí)別研究，具體的識(shí)別流程如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)油底殼動(dòng)態(tài)特性識(shí)別流程框圖

1.2 油底殼振聲特性識(shí)別試驗(yàn)分析

以某型單缸四沖程直噴柴油機(jī)為研究對(duì)象，缸徑為110 mm，在標(biāo)定工況下轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，功率是15.5 kW。根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試要求，在柴油機(jī)油底殼側(cè)面布置加速度傳感器，采用VTCL_DSP振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在柴油機(jī)臺(tái)架性能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定工況下油底殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試，如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及油底殼振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置場(chǎng)景圖

利用基于Morlet小波的同步壓縮小波變換方法與連續(xù)小波變換方法對(duì)獲取的結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析比較，結(jié)果如圖3所示。在標(biāo)定工況下，單缸四沖程柴油機(jī)燃燒爆發(fā)周期為0.055 s，發(fā)火基頻為18.33 Hz，柴油機(jī)2階不平衡往復(fù)慣性力激勵(lì)頻率為73.33 Hz。

從圖3(a)與圖3(b)分析比較可知，同步壓縮小波時(shí)頻譜能有效提取標(biāo)定工況下油底殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)頻特征，能提供其任何局部時(shí)間段上的頻率信息，相比連續(xù)小波尺度譜圖，改變了傳統(tǒng)連續(xù)小波變換在時(shí)頻域上分辨率不高的缺點(diǎn)，使得其結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)中各頻率成分在頻率域方向上進(jìn)行壓縮，使信號(hào)中最大峰值頻率547.8 Hz得以清晰地顯示在時(shí)頻圖上。同時(shí)結(jié)合同步壓縮小波能譜圖3(c)，油底殼結(jié)構(gòu)主振動(dòng)分量相當(dāng)于沿頻率軸對(duì)其功率譜進(jìn)行了包絡(luò)平滑處理，能獲得其結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的頻域特征與能量分布，而傳統(tǒng)連續(xù)小波能譜圖3(d)，由于其時(shí)頻分辨率低導(dǎo)致其特征提取效果不佳。因此，同步壓縮小波譜分析技術(shù)相比連續(xù)小波譜分析技術(shù)更顯優(yōu)越性。

圖3 油底殼振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻分析結(jié)果

從圖3中進(jìn)一步分析可知，機(jī)體受燃燒爆發(fā)壓力與機(jī)械沖擊激勵(lì)，經(jīng)多向多耦合振動(dòng)傳遞路徑傳遞至結(jié)構(gòu)部件，引起油底殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的能量主要集中在400～600 Hz低頻帶范圍內(nèi)，且在547.8 Hz時(shí)出現(xiàn)最大峰值，在工作周期內(nèi)，油底殼在相應(yīng)振動(dòng)能量相對(duì)集中的峰值頻帶呈現(xiàn)明顯的周期瞬態(tài)特性，這是由結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)態(tài)特性引起的。

下一步為識(shí)別油底殼表面輻射噪聲與其結(jié)構(gòu)振動(dòng)的相關(guān)性。在相同工況下，采用BK2250聲級(jí)計(jì)在油底殼平板結(jié)構(gòu)側(cè)面進(jìn)行近場(chǎng)聲壓測(cè)試，采用1/3倍頻程譜分析其近場(chǎng)測(cè)點(diǎn)噪聲頻帶能量分布，其中結(jié)果如圖4所示。

圖4 油底殼近場(chǎng)聲壓1/3倍頻程譜

分析圖4可知，在標(biāo)定工況下，柴油機(jī)油底殼近場(chǎng)輻射噪聲聲壓級(jí)為108.36 dB(A)。油底殼結(jié)構(gòu)噪聲能量主要集中在355～708 Hz的低頻帶，其中在以500 Hz為中心頻率(447～562 Hz)的頻帶范圍出現(xiàn)噪聲峰值102.28 dB(A)，柴油機(jī)寬頻燃燒激勵(lì)與機(jī)械激勵(lì)通過(guò)機(jī)體傳遞至油底殼，作為典型的平板型薄壁件，輻射面積大，同時(shí)其剛度薄弱結(jié)構(gòu)易受振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)而輻射較大噪聲，因此控制油底殼表面輻射噪聲的關(guān)鍵是控制其低頻輻射噪聲。同時(shí)結(jié)合其結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析結(jié)果可知，油底殼振動(dòng)響應(yīng)能量集中頻帶落入其噪聲能量峰值頻帶區(qū)域內(nèi)，振聲能量集中且表現(xiàn)出較強(qiáng)相關(guān)性，說(shuō)明控制油底殼結(jié)構(gòu)噪聲的關(guān)鍵是降低其結(jié)構(gòu)主振動(dòng)，改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。

2 柴油機(jī)油底殼模態(tài)特性分析

根據(jù)油底殼聲振試驗(yàn)分析結(jié)果，采用模態(tài)分析方法進(jìn)行其結(jié)構(gòu)模態(tài)特性分析，找到導(dǎo)致結(jié)構(gòu)主振動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化其動(dòng)態(tài)特性[14-15]。

首先建立鋼板油底殼的仿真計(jì)算模型，然后選擇單元大小為0.004 m的四面體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，其中在倒角區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，最終獲得其有限元網(wǎng)格模型，如圖5(a)所示。同時(shí)為驗(yàn)證所建油底殼有限元模型的準(zhǔn)確性，構(gòu)建了具有39個(gè)特征測(cè)點(diǎn)的油底殼實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖5(b)所示，利用LMS Test.Lab模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)基于單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的脈沖激振法進(jìn)行油底殼自由狀態(tài)下的模態(tài)實(shí)驗(yàn)，獲取其自由模態(tài)參數(shù)。

圖5 油底殼模型示意圖

采用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)與有限元計(jì)算模態(tài)相結(jié)合的方法獲得了油底殼前6階自由模態(tài)頻率值，結(jié)果如表1所示，其中油底殼第5階自由模態(tài)振型如圖6所示。

表1 油底殼自由模態(tài)頻率

圖6 油底殼第5階自由模態(tài)振型示意圖

分析表1和圖6可知，油底殼前6階實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率與計(jì)算模態(tài)頻率值相對(duì)誤差都小于8%，驗(yàn)證了所建立油底殼有限元模型的準(zhǔn)確性，可用于后續(xù)的仿真分析。

為模擬薄壁件與實(shí)際工作相符的約束狀態(tài)，分別對(duì)油底殼裙邊與機(jī)體不同部位相連接端面的螺栓孔內(nèi)接觸面施加固定約束，約束了所有連接螺栓孔的自由度，采用分塊蘭索斯法[16]分別對(duì)油底殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束模態(tài)計(jì)算，部分計(jì)算結(jié)果如表2與圖7所示。

表2 油底殼約束模態(tài)頻率

圖7 油底殼第5階約束模態(tài)振型示意圖

從約束模態(tài)求解結(jié)果分析可知，油底殼第4階至第5階約束模態(tài)頻率區(qū)間落入其結(jié)構(gòu)振聲響應(yīng)能量集中頻帶范圍，受激勵(lì)易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振。結(jié)合圖7模態(tài)振型分析可知，隨著結(jié)構(gòu)約束頻率的提高，油底殼左右兩大側(cè)板的相對(duì)變形也隨之增大，且變形區(qū)域越發(fā)集中。因此，油底殼的第4階與第5階約束模態(tài)是影響結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵模態(tài)，同時(shí)其左右薄壁側(cè)板是影響結(jié)構(gòu)剛度的薄弱環(huán)節(jié)。

3 柴油機(jī)油底殼動(dòng)態(tài)特性改進(jìn)分析

根據(jù)試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果，要降低油底殼在標(biāo)定工況下產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)，必須避開可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振的頻率區(qū)間，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)來(lái)優(yōu)化其動(dòng)態(tài)特性。針對(duì)油底殼側(cè)板和底板薄弱環(huán)節(jié)，采取設(shè)計(jì)對(duì)稱加強(qiáng)筋來(lái)提高結(jié)構(gòu)剛度的措施，其中在側(cè)板和底板均勻布置4條寬度為5 mm，高度為1 mm的加強(qiáng)筋來(lái)提高油底殼的約束模態(tài)頻率，油底殼改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖8所示，改進(jìn)后其結(jié)構(gòu)約束模態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖9和表2所示。

圖8 油底殼改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 改進(jìn)后油底殼第5階約束模態(tài)振型示意圖

從圖表中分析可知，通過(guò)對(duì)油底殼側(cè)板和底板進(jìn)行加強(qiáng)筋改進(jìn)設(shè)計(jì)后，油底殼結(jié)構(gòu)剛度及各階約束模態(tài)頻率都得到了顯著提高，其中第5階約束模態(tài)頻率提高了195 Hz，而質(zhì)量?jī)H增加0.46 kg。

油底殼結(jié)構(gòu)改進(jìn)后前6階約束模態(tài)頻率區(qū)間避開了可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)的低頻區(qū)間，其主振型相對(duì)位移變形量也減小。下一步將根據(jù)改進(jìn)油底殼的仿真計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)控制其結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

1) 在標(biāo)定工況下，鋼板油底殼是單缸柴油機(jī)側(cè)蓋面的主要輻射部件，其結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)與表面輻射噪聲相關(guān)能量分別主要集中在以500 Hz為中心頻率的頻帶范圍，油底殼在547.8 Hz 時(shí)出現(xiàn)最大加速度振動(dòng)峰值，控制其結(jié)構(gòu)輻射噪聲的關(guān)鍵是改進(jìn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，降低結(jié)構(gòu)主振動(dòng)。

2) 油底殼的第5階約束模態(tài)頻率易受單缸柴油機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)，是影響結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵；通過(guò)對(duì)油底殼側(cè)板與底板薄弱結(jié)構(gòu)增加四條加強(qiáng)筋，第5階約束模態(tài)頻率提高了195 Hz；采取薄弱環(huán)節(jié)加強(qiáng)筋改進(jìn)設(shè)計(jì)措施可有效提高油底殼結(jié)構(gòu)剛度，避開共振頻率。

3) 融合同步壓縮小波變換、近場(chǎng)聲壓1/3倍頻程譜法以及模態(tài)分析方法，有效識(shí)別了標(biāo)定工況下單缸柴油機(jī)油底殼結(jié)構(gòu)聲振響應(yīng)特性與結(jié)構(gòu)模態(tài)特性，分析了兩者的相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)薄弱環(huán)節(jié)改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了油底殼結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性。